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PROYECTO TERMINAL

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE MODELOS PARA FUNDICIÓN PRESENTAN: AVENDAÑO GARRIDO HÉCTOR MIGUEL DE LA LUZ HERNÁNDEZ MARTÍN LEÓN DOMÍNGUEZ ERIKA SARAÍ RAMOS FLORES RICARDO

MODELOS PARA FUNDICIÓN

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DISEÑO Y FABRICACIÓN DE MODELOS PARA FUNDICIÓN

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ÍNDICE Justificación Introducción

4 5

CAPITULO I FUNDAMENTOS DE FUNDICIÓN EN ARENA

7

1.1 Introducción a la fundición 1.2 Hierros colados 1.2.1 Clasificación de los hierros colados 1.2.2 Propiedades del hierro gris 1.2.3 Efectos de los elementos de aleación 1.3 Tipos de arenas 1.4 Moldeo de arena en verde 1.5 Aglutinantes

8 10 11 15 17 18 21 22

CAPITULO II MODELOS DE FUNDICIÓN

26

2.1 Modelos para fundición 2.2 Materiales para la construcción de modelos 2.3 Tipos de modelos 2.4 Fabricación de corazones 2.5 Consideraciones del proyecto 2.6 Defectos de fundición

27 28 30 36 40 54

CAPITULO III DISEÑO Y FABRICACIÓN

59

3.1 Metodología 3.2 Diseño de la pieza 3.3 Diseño del modelo 3.4 Dibujos del moldeo 3.5 Cálculos del sinfín lo 3.6 Fabricación del molde

60 61 63 66 69 73

Conclusiones Bibliografía

74 75

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JUSTIFICACIÓN Se realiza éste proyecto, ya que en el mercado existe una gran variedad de piezas hechas por fundición, Se buscara una mayor calidad a un mejor precio, y que su funcionamiento sea mucho mejor, con ello evitaremos la importación y mejoraremos el mercado mexicano.

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INTRODUCCIÓN En la industria la fundición es muy importante para construir máquinas e infinidad de piezas en distintos tamaños y formas, para ello se desarrollan conocimientos técnicos tan diversos como son el dibujo industrial, la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos. En este proyecto buscamos encontrar nuevos criterios para diseñar modelos, incluyendo software y programas para este, conocer algunos procesos de fundición utilizando moldes permanentes y moldes desechables, logrando con ello rapidez, eficiencia, calidad y economía en los modelos para fundición.

Un modelo para fundición es el elemento que sirve para la obtención de los moldes de arena. Estos se logran cuando la arena se comprime alrededor del modelo y ambos están dentro de una caja de moldeo. Cuando se termina de compactar la arena se extrae el modelo y después de cerrar el molde, se vacía el metal líquido para que llene las cavidades del mismo. Los modelos deben estar bien diseñados a fin de evitar dificultades de moldeo, o bien desecho por excentricidades, formación de grietas y otros defectos más. Los defectos anteriores pueden evitarse si se prevén las formas adecuadas de los modelos para facilitar el moldeo.

Este proyecto consiste en obtener una pieza metálica a través del vaciado de metal en un molde, el proyecto abarcará todos los aspectos fundamentales para la fundición en arena, desde la selección de la pieza hasta la fundición y desmolde de la misma. Desarrollaremos métodos de prueba, enfocándonos a la fundición en arena, y realizando un modelo de una pieza específica. Se investigarán todos y cada uno de los aspectos que intervengan en este tipo de modelos, desde los más sencillos hasta los más complejos, para poder obtener una pieza con mejor calidad y tener un resultado favorable.

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En este proyecto hablaremos sobre algunos temas como son:           

Introducción a la fundición Propiedades del hierro colado Arena Mezcla de arena Fabricación del molde Fabricación de corazones Calculo de mazarotas Ángulos de salida Normas de diseño Ajustes y tolerancias Molde terminado

La pieza a diseñar es un TORNILLO DE BANCO. Se espera mejorar con esto la calidad del producto y el servicio.

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CAPITULO I FUNDAMENTOS DE FUNDICIÓN EN ARENA

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1.1 INTRODUCCIÓN A LA FUNDICIÓN. La obtención de piezas metálicas a través del vaciado de metal fundido en un molde, se le conoce como proceso de fundición. En base al metal fundido, las fundiciones se clasifican como sigue: a) Fundiciones de Hierro. Hierro Gris.- Hierro con alto contenido de carbón. Hierro Blanco.- Hierro con medio contenido de carbón. Hierro Dúctil.- Hierro con grafito esferoidal. Aleaciones de hierro gris.- Hierro más elementos aleados. Hierro Maleable.- Hierro blanco recocido con grafito en forma nodular. b) Fundición de Acero Acero al carbón.- Aleaciones de hierro con cantidades bajas de carbón. Aceros aleados.- Aceros con algunos elementos de aleación especiales. c) Fundición de metales no ferrosos. Bronce y Latón.- Aleaciones con metal base el cobre más otros elementos de aleación. Aluminio y aleaciones.- Aleaciones con metal base el aluminio más otros elementos de aleación. Magnesio y aleaciones.- Aleaciones con metal base el magnesio más otros elementos de aleación. Por el método de moldeo empleado, las fundiciones se clasifican en: a) Fundición a la arena (Sand casting) Proceso de moldeo cuyo principal componente es arena sílica, que se utiliza para hacer el molde; el metal vaciado en el molde de arena una vez que solidifica, se obtiene las piezas fundidas. b) Fundición en molde permanente (Permanent mold – casting) Los moldes permanentes son de acero o fundidos en hierro y son usadas para recibir el metal fundido.

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c) Fundición a Presión (Die – casting) El metal fundido es vaciado bajo presión en un molde metálico. d) Fundición por revestimiento (Investment – casting) Proceso a veces conocido como “a la cera perdida” o fundición de precisión, en el cual, se utiliza un modelo desechable de cera, plástico o mercurio congelado, revestido de material refractario, cuando el metal se vacía sobre el modelo, se expulsa o volatiza. e) Proceso de molde lleno (Full – mold process) Técnica de moldeo donde se utiliza un modelo de polietileno que se moldea en arena y sin extraerlo se vacía el metal fundido y se va gasificando en cuanto hace contacto el metal. f) Fundición centrifuga (Centrifugal – casting) El metal se vacía en un molde de arena o metálico el cual gira sobre su eje vertical u horizontal. DEPARTAMENTOS DE UNA PLANTA DE FUNDICIÓN. Sección de moldeo.- Es la sección donde se realiza la fabricación de los moldes, los cuales pueden ser fabricados según la necesidad, como sigue:    

Arena en Verde Arena Seca Moldes con “Pintura” Moldes en “Cáscara” (shell)

A su vez el moldeo se puede realizar en piso, en banco o con máquina de moldeo. La fabricación de corazones o formas de arena insertadas para el moldeo de cavidades internas de la pieza también se realizan en la sección de moldeo. Los corazones pueden ser preparados con arena aglutinadas con aceite, arena aglutinada con silicato, o arena aglutinada con resinas termofraguantes. Algunos corazones requieren ser cocidos y almacenados, para hacer usados en periodos de tiempo relativamente cortos.

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Sección de Fusión.- Para la fusión de metales se utilizan, diferentes tipos de hornos como son:    

El horno de cubilote para hierros y aleaciones de hierro. Hornos eléctricos para la producción de aceros. Hornos de Crisol para la producción de metales no ferrosos. Hornos de Aire o reverbédero para producir aceros.

Sección de Limpieza.- es donde se eliminan las alimentaciones y mazarotas de las piezas para después remover la arena de la superficie con diferentes métodos, ya sea en forma manual o por golpeteo o por chorro abrasivo. Departamento de Control de Calidad.- es el responsable de verificar la composición química del metal, así como controlar que las propiedades físicas sean mantenidas dentro de límites estándar. Se comprueban también las dimensiones de la pieza fundida, así sus acabados. Se inspecciona que las piezas se encuentren libres de defectos y en su caso realizar inspecciones por técnicas no destructivas, a fin de garantizar la calidad de la pieza.

1.2 HIERROS COLADOS Los hierros colados ó fundiciones los podemos obtener en hornos eléctricos ó hornos de cubilote, partiendo del arrabio (sólido) obtenido en un alto horno, chatarra sólida de acero, ferroaleaciones (FeSi, FeMn, etc.), retorno de piezas y coladas. Los hierros colados, son aleaciones de hierro y carbono y silicio, manganeso, fósforo, azufre, etc. y su contenido de carbono es de 2 a 4.5 %, adquiriendo su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca los hierros sometidos a procesos de formación plástica ni en frío ni en caliente. En general no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse.

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1.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS HIERROS COLADOS El mejor método para clasificar el hierro es de acuerdo con su estructura metalografíca. Las variables a considerar que dan lugar a los diferentes tipos de hierro son: El contenido de carbono, el contenido de aleación y de impurezas, la rapidez de enfriamiento durante o después de la solidificación y el tratamiento térmico después de fundirse. Estas variables controlan la condición del carbono y también su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir como carbono sin combinar (o libre) en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar influirá grandemente en las propiedades físicas del hierro. Los hierros se pueden clasificar como siguen: Hierro blanco Es aquel en la cual el carbono se encuentra combinado con el hierro, formando el carburo de hierro (Fe3C), llamado cementita, siendo esta cementita muy dura pero muy frágil. Composición química. Carbono Silicio Manganeso Azufre Fósforo

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1.80 a 3.20% 0.50 a 1.90% 0.25 a 0.80% 0.06% máx. 0.06% máx.

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La fundición blanca o hierro, como consecuencia de la presencia de cementita, posee alta dureza, es frágil y prácticamente no se somete a la elaboración por corte. Por eso, este hierro tiene una aplicación muy limitada.

Figura 1. Micro estructura de un hierro blanco fundido: a). Las áreas oscuras son dendritas primarias de austenita transformada (perlita) en una red blanca interdendrita de cementita, 20X b). La misma muestra a 250X, que muestra perlita (oscura) y cementita (blanca). Atacada con Nital al 2%.

Hierro maleable. Es aquel en la cual se obtiene a partir de un hierro blanco por medio de un tratamiento térmico (recocido), obteniéndose una estructura de nódulo irregular. La presencia del carburo de hierro (cementita) es realmente una fase metaestable. Hay una tendencia a que la cementita se descomponga el hierro y carbono, pero en condiciones normales tiende a persistir indefinidamente en su forma original. Hasta este punto, la cementita se ha tratado como una fase estable; sin embargo, esta tendencia a formar carbono sin combinar es la base para manufacturar hierro maleable. La reacción Fe 3C 3Fe + C es favorecida por altas temperaturas, la existencia de impurezas sólidas no metálicas, mayores contenidos de carbono y la presencia de elementos que ayudan a descompones al Fe 3 - C.

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Los hierros blancos adecuados para la conversión a hierro maleable pueden ser como sigue: Fundición blanca Europea. Carbono Silicio Manganeso Azufre Fósforo

2.50 a 3.0% 0.50 a 1.25% 0.40 a 0.60% 0.06% máx. 0.06% máx.

Fundición blanca Americana. Carbono Silicio Manganeso Azufre Fósforo

2.00 a 2.75% 0.50 a 1.20% 0.40 a 0.60% 0.06% máx. 0.06% máx.

En la primera etapa de recocido, el hierro blanco se calienta lentamente a una temperatura de 1650 a 1750ºC. Durante el calentamiento, la perlita se convierte austenita en la línea inferior crítica. La austenita así formada disuelve alguna cementita adicional conforme se calienta a la temperatura de recocido.

Figura No. 2. Cambio de micro estructuras como fundición del ciclo de maleabilización que origina carbono revenido en una matriz ferrítica.

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Figura 3. a). Hierro maleable, sin estar atacado químicamente. Los nódulos irregulares de grafito se llaman carbono revenido (100 X). b). Hierro ferrificó maleable, carbón revenido (negro) en una matriz ferrítica. Atacado químicamente en nital al 5%, 100X

Hierro gris Es uno de los materiales ferrosos más empleados, su nombre se debe a la apariencia de sus superficies al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”, este grafito es el que da la típica coloración gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material. Estas aleaciones solidifican formando primero austenita primaria. La apariencia inicial de carbono combinado está en la cementita que resulta de la reacción eutéctica a 2065ºF.

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El proceso de grafitización es ayudado por el alto contenido de carbono, la alta temperatura y la adecuada cantidad de elementos de grafitización, sobre todo el silicio, ver figura 4.

Figura 4. Hojuelas de grafito en una matriz en un hierro gris. Sin atacar a 100X

Durante el enfriamiento continuado, hay precipitaciones adicionales de carbono debido al decremento en solubilidad de carbono en austenita, el cual se precipita como grafito o como cementita proeutectoide que grafitiza rápidamente. La figura 9, nos muestra una microestructura de hierro fundido gris con matriz. NOTA: En este proyecto utilizaremos las aleaciones de hierro gris, a continuación mencionaremos sus propiedades por las cuales utilizamos este material.

1.2.2 PROPIEDADES DEL HIERRO GRIS La mayoría de estos hierros grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen aproximadamente la siguiente composición: Carbono Silicio Manganeso Azufre Fósforo

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2.30 a 3.40% 2.00 a 2.20% 0.60 a 0.65% 0.06% máx. 0.60% máx.

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El empleo de los hierros colados en piezas para sus usos muy diversos, ofrecen las siguientes ventajas: 1. La piezas de hierro colado son en general mas baratas que las de acero (es el material que más se utiliza en los talleres y fabricas de maquinaria, motores, etc.) y su fabricación es también mas sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco elevadas y más bajas que las que corresponden al acero. 2. Los hierros colados son en general mucho más fáciles de mecanizar que los aceros. 3.

Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas, que se pueden obtener con gran precisión de formas y medidas, siendo además en ellas mucho menos frecuente la aparición de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero.

4. Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son suficientes las características mecánicas que poseen los hierros. Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm2) y su resistencia a la tensión 2 (puede variar de 12 a 90 kg/mm ) es también aceptable para muchas aplicaciones. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el acero), las vibraciones de maquinas, motores, etc., a que a veces están sometidas. 5. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin necesidad de conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a obtener hierros con características muy aceptables para numerosas aplicaciones. 6. Como las temperaturas de fusión de los hierros son, como se ha dicho antes, bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante facilidad, por lo que en general suele ser bastante fácil conseguir que los hierros en estado líquido tengan fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco espesor. En la solidificación presentan menos contracción que los aceros y además su fabricación no exige como la de los aceros, el empleo de refractarios relativamente especiales de precio elevado.

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1.2.3 EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN Manganeso. El manganeso es un estabilizador de carburos que tiende a incrementar la cantidad de carbono combinado, pero es mucho menos potente que el azufre. Si el manganeso está presente en la cantidad correcta para formar sulfuro de manganeso, su efecto será reducir la proporción de carbono combinado eliminando el efecto del azufre. El exceso de manganeso tiene poco efecto en la solidificación y sólo retarda débilmente la grafitización primaria; sin embargo, sobre la grafitización eutectoide, el manganeso es un fuerte estabilizador de carburo. El manganeso afina el grano, aumenta la maquinabilidad, su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión de álcalis. Fósforo. Casi en todos los hierros grises el contenido de fósforo es de 0.10 a 0.90% y es originario del mineral de hierro. La mayor parte del fósforo se combina con el hierro para formar fosfuro de hierro (Fe P), el cual constituye un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente). El eutéctico primario se conoce como esteadita y es una característica normal en la microestructura de los hierros fundidos. Esta esteadita es relativamente frágil y con alto contenido de fósforo, en tanto que las áreas de esteadita tienden a formar una red continua, delineando las dendritas primarias de austenita. La condición reduce la tenacidad y hace frágil al hierro fundido, de manera que el contenido de fósforo debe controlarse cuidadosamente para obtener propiedades mecánicas óptimas.El proceso de grafitización y la micro estructura de la fundición, se puede determinar por dos factores fundamentales: 1. La velocidad de enfriamiento de la fundición. 2. Composición química (sobre todo el silicio). Azufre. Regularmente los hierros grises comerciales contienen contenidos de azufre entre 0.06 a 0.12%. El efecto del azufre sobre la forma de carbono es el contrario que el del silicio. A mayor contenido de azufre, mayor será la cantidad de carbono combinado, teniendo de esta manera a producir un hierro blanco duro y frágil.

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Aparte de producir carbón combinado, el azufre tiende a reaccionar con el hierro para formar sulfuro de hierro (FeS). Este compuesto de baja fusión presenta delgadas capas interdendríticas y aumenta la posibilidad de que haya fisuras a altas temperaturas (fragilidad al rojo). El azufre en grandes cantidades tiende a reducir la fluidez y suele causar cavidades (aire atrapado) en las piezas fundidas. Silicio. Baja su punto de fusión, afina el grano, aumenta su resistencia mecánica, a la corrosión, el calor, su plasticidad y proporción de carbono en estado libre. NOTA. El silicio desempeña distintos propósitos además: Parte del silicio es agregado durante la carga en el horno, actuando como desoxidante, pero lo más importante del silicio es que hace una gran reacción del grafito, para limitar las posibilidades de endurecimiento y cristalización de las superficies del hierro chilled (enfriado y templado superficialmente).

1.3 TIPOS DE ARENA ARENA. Es un material granular, resultante de la desintegración de las rocas; el término se refiere al tamaño del grano y no a la composición mineral. El diámetro de los granos puede variar entre 0.05 a 2.0 mm (6a 270 mallas). La mayoría de las arenas de fundición se componen básicamente de cuarzo y sílice. Las arenas utilizadas en el moldeo en verde se pueden clasificar de la siguiente en: Arenas naturales. Es la obtenida directamente de depósitos naturales debido a la alteración de rocas feldespáticas caracterizadas por la materia arcillosa que envuelve a los granos de arena. Las arenas naturales normalmente contienen altos porcentajes de arcilla entre 5 a 20% que no es refractaria. También se caracterizan por las grandes cantidades de finos que aumentan con su uso en la fundición, lo que provoca un aumento en la cantidad de agua para su preparación, disminuyendo la permeabilidad y punto de fusión de la arena.

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Una arena natural puede contener cantidades variables de otras tantas impurezas. Las sustancias o materiales que contienen principalmente son: Carbonatos de calcio y/o magnesio. Oxido de fierro. Mica. Sales de sodio y potasio. Arenas sintéticas. Las arenas sintéticas son aquellas que para propósitos de fundición se mezclan enriqueciéndolas con diferentes aditivos y/o aglutinantes especiales, con los que se les imparten mejores propiedades de plasticidad, moldeabilidad y resistencia a la temperatura, ya que por naturaleza se encuentran libres de arcilla y de materias orgánicas. Una de las ventajas de estas arenas sintéticas con respecto a las arenas naturales es que son más económicas, presentan mayor uniformidad en el tamaño y distribución del grano, por lo cual pueden controlarse más eficientemente. También tienen una mayor permeabilidad en los moldes los moldes pueden apisonarse más fuertemente, reduciendo el problema de arrastre de arena, fracturas y otros defectos asociados con los aprietes flojos, así como el poder de obtener piezas dentro de márgenes más estrechos de exactitud en lo que respecta a dimensiones del modelo. Las arenas sintéticas tienen más alta refractariedad, por lo cual se obtienen piezas más limpias y permite elevar a altas temperaturas el metal para el vaciado de piezas con espesores pequeños. Las arenas sintéticas son más durables y económicas, porque para reacondicionarse el sistema se requiere adiciones bajas de aglutinantes, siendo posible un control más estrecho y disminuyendo así la posibilidad de rechazar una pieza. Así mismo, para clasificar las arenas se consideran varios factores. Una primera clasificación puede basarse en su contenido de arcilla y en el se distinguen cuatro grupos: 1. Arenas arcillosas o tierras grasas, cuyo contenido de arcillas es superior al 18%. 2. Arenas semigrasas, cuyo contenido de arcilla va del 8 a 18%. 3. Arenas magras, cuyo contenido de arcilla va del 5 al 8%. 4. Arenas silíceas o sintéticas, cuyo contenido de arcilla es inferior al 5%.

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Una segunda clasificación puede hacerse según la forma del grano; Ver siguientes figuras: 1. Arena de grano esferoidal o redondo. 2. Arena de grano angular. 3. Arena de grano compuesto. PROPIEDADES DE LÃS ARENAS. Las propiedades de las arenas pueden clasificarse en dos tipos: La primera de ellas, considera los caracteres estructurales de las arenas y la segunda, las propiedades técnicas de las mismas. Entonces podemos decir: 1. PROPIEDADES ESTRUCTURALES. - Análisis químicos. - Contenido arcilloso. - Dimensión de los granos y su distribución - Forma de los granos. 2. PROPIEDADES TECNICAS. - Refractariedad - Cohesión o resistencia - Permeabilidad - Fluidez - Moldeabilidad

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1.4 MOLDEO DE ARENA EN VERDE Se denomina moldeo en verde cuando el estado de la arena en el molde contiene una húmeda relativa en toda su masa. Las ventajas de este moldeo son: -

Es un procedimiento sencillo. Se obtiene un enfriamiento rápido de la pieza. La impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión.

Los problemas comunes son: -

La poca resistencia del molde No tiene resistencia en la erosión. Existe un templado superficial en las piezas (perjudicial para el maquinado) Requiere de mano de obra calificada.

MOLDEO EN VERDE CON SECADO SUPERFICIAL Es la operación del moldeo en verde pero además se realiza un secado en las caras de contacto a fuego directo. Las ventajas de este moldeo son: -

Vaciar piezas mas pesadas, debido a un aumento en la resistencia del molde. Se evita el templado superficial en buena medida. Se mejora el acabado superficial.

MOLDEO EN VERDE Y SECADO COMPLETO. El secado completo de un molde en verde se logra haciendo pasar el molde en hornos de secado en tiempos preestablecidos. Las ventajas son: -

Se obtiene la mayor resistencia del molde. La calidad de gases a evacuar es mínima. No hay templado superficial en las piezas y se facilita el maquinado. Se obtiene un buen acabado superficial.

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Sus desventajas son. -

Es un procedimiento lento. Se eleva el costo de fabricación. Debido a su alta resistencia, impide la libre contracción del material.

En general resulta ser más económico utilizar el tipo de arena en verde ya que no requiere del uso de una estufa de secado que consumirá gas o energía eléctrica e implicará más horas de proceso, por lo cuál resulta propicio para la producción de grandes lotes de moldes; pero no todo tipo de pieza podrá ser producida bajo este sistema, principalmente para aquellas de gran peso, pues puede causar una serie de defectos que podrían originar el rechazo de la pieza. Cabe mencionar que no toda la arena que integra el molde requerirá de un cuidado o control estricto, por lo cuál se tiene otra clasificación según su clasificación en el moldeo: Arenas de cara o de careo. Arenas de relleno. Arenas para corazones.

1.5 AGLUTINANTES Un aglutinante se define como un material que tiene la propiedad de unir los granos de arena para proporcionarles resistencia. Las arenas sintéticas solas no podrían utilizarse para propósitos de moldeado, por lo que las arenas de fundición son en verdad mezcladas de tres o más ingredientes básicos que proporcionan las propiedades de resistencia y plasticidad que requiere para ser moldeables; además se le agregan otros materiales para impartirles propiedades adicionales de que carece la arena sola, necesarias para el buen comportamiento en su utilización. Los aglutinantes utilizados en las mezclas para corazones, son similares en los utilizados en las mezclas para moldeo. A continuación se exponen los más importantes tipos de aglutinantes utilizados en la fundición. Bentonita sódica. Es un aglomerante inorgánico cuya finalidad es, fundamentalmente, ligar o unir la arena del sistema en verde, para elevar la resistencia a la compresión en verde, en seco y en caliente; para prevenir la erosión y el corte y para permitir la expansión de la arena sílica.

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Esta constituida principalmente de minerales mormorilloníticos. Los efectos sobre las propiedades mecánicas son: - Resistencia a la compresión en verde - Resistencia a la compresión en seco - Resistencia a la compresión en caliente

Aumenta. Aumenta. Aumenta.

Análisis químico típico. SiO2 Al2 O3 Fe 2O3 Na2O MgO K O2 H 2O contenido (en la mezcla)

60-62% 21-23% 3.4% 2.5-2.7% 0.5-1.5% 0.4-0.45% 5.0-9.0%

Bentonita cálcica. Es un aglomerante mineral que se utiliza fundamentalmente para unir ó ligar la arena del sistema, para elevar la resistencia a la compresión en verde y moderadamente en seco y en caliente. Proporciona alta resistencia en verde y baja en seco y en caliente; promueve mejor la fluidez que la bentonita sódica. Y tiene los siguientes efectos: - Resistencia a la compresión en verde - Resistencia a la compresión en seco - Resistencia a la compresión en caliente

Aumenta Aumenta Aumenta

Analisis químico típico. SiO2 Al2O3 Fe 2O3 MgO CaO Na2 O H 2 O contenida (en la mezcla)

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56.0-59.0% 18.0-21.0 5.4-9.1% 3.0-3.3% 1.2-3.5% 0.34-4.6% 5.0-8.0%

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Dextrina. Es una goma de carbohidratos soluble y que sirve como aglomerado, en seco, de compuestos para fundición y cuya finalidad es la de reducir la fragilidad y el desmoronamiento en mezclas de arena para moldeo. Aumenta la resistencia a la compresión en verde, mejora la dureza superficial. Tiene efecto sobre: Resistencia a la compresión en seco Resistencia a la compresión en caliente Resistencia a la compresión en verde Resistencia al corte en seco

Aumenta No cambia No varía Aumenta

OBSERVACIONES. - Disminuye la fluidez de la arena si se usa en exceso. - Disminuye el castrado (formación de costras). - Aumenta la tersura del material. - Origina en la arena que ésta se una más. - Se usa de 0.12 a 1.5% en peso. - Reduce el secado fuera del molde. - Cuida el ablandamiento por humedad atmosférica. - El total de gases producidos es variable. - La dextrina soluble emigra hacia el exterior de la orilla del material, produciendo una alta dureza sobre la superficie de la arena. - Endurece dentro de sacos si se almacena en un lugar húmedo. Análisis químico típico. Humedad Agua soluble Azúcar reducida (como dextrosa)

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3.6% 98.0% 4.0%

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Harina de maíz. Es un cereal ligado altamente gelatinoso, que es producto de un proceso de molienda de maíz en estado seco y que se usa como aditivo para moldeo de arena en verde y mezclas de careo Disminuye el abollamiento, la cola de rata (grieta), las costras y la erosión. Aumenta la deformación en verde, y tiene efecto: Resistencia a la compresión en verde Resistencia a la compresión en seco Resistencia a la compresión en caliente

Aumenta Aumenta Aumenta arriba de 260ºC y disminuye a 1371 - 1403ºC.

OBSERVACIONES. - Aumenta la deformación en verde en un 0 a 2%, sin cambio en la resistencia en verde. - Disminuye la rebaba y las costras. - Aumenta la demanda de gases, se usa de 0.4 a 1.3% en peso en arenas de careo.

- Aumenta la tenacidad y la plasticidad. De secado rápido en horno, alta absorción a la humedad. - Aumenta el pandeo y las propiedades en general de las mezclas en corazones. - Aumenta el desmoronamiento. - Reduce el porcentaje de secado en ausencia de arcilla refractaria y bentonita en las ligas con arena. Análisis químico típico: Humedad Ceniza Agua soluble Dextrina

MODELOS PARA FUNDICIÓN

4.0 a 9.0% 0.3 a 0.5% 10.0 a 27.5% 18.0 a 24.0%

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CAPITULO II MODELOS DE FUNDICIÓN MODELOS PARA FUNDICIÓN

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2.1 MODELOS PARA FUNDICIÓN Los modelos son herramientas principales de la que se valen los fundidores para hacer las piezas coladas. Aun cuando se desee hacer una sola pieza, será necesario contar con un modelo al cual en la generalidad de las veces será útil para fabricar una mayor cantidad de piezas. El contar con un modelo apropiado se convierte por lo anterior, en la primera etapa de la elaboración de piezas coladas. Puede definirse un modelo como una replica de la pieza que se desea obtener. Al diseñador hay que tener en cuenta la disminución de las dimensiones ocasionadas por la contracción de la pieza al enfriarse, la rugosidad de las superficies por la calidad de la arena y los alojamientos para los corazones. Los pesos de los modelos pueden variar entre unos granos y 50 ó 60 ton. De ahí que los tamaños de los modelos son muy variados.

Figura No. 5

Figuro No. 6

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2.2 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS El número de piezas a realizarse con un modelo determinará el criterio de selección del material del mismo, que puede ser madera, metal, poli estireno, plástico, resina epóxica, cera o bien mercurio congelado. Sin duda que la vida útil del modelo y su precisión son factores que influyen también para la selección del material. Para moldear 10 veces o más, con un mismo modelo conviene hacerlo metálico (de aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten mas el desgaste. Puede fabricarse también de bronce o de hierro gris ya que a veces el desgaste es excesivo cuando se tienen que calentar, como en el caso del modelo en cáscara. Maderas: Se tienen dos tipos de maderas:  Duras: Maple, Encino y Ébano  Blandas: Pino blanco, cedro, caoba y abeto La utilización de cada uno de estos tipos de maderas esta en función de la cantidad de piezas que se fabricarán con el modelo. Las maderas duras tienen una magnífica resistencia a la abrasión, sin embargo como inconvenientes se tienen su fragilidad y la dificultad para ser trabajadas. Toda madera que se emplee para la fabricación de modelos, deberá estar perfectamente sazonada o estofada y almacenarse para impedir la reabsorción de agua. Es extremadamente importante mantener la humedad en la madera, es un valor bajo y constante para impedir el alabeo, el hinchamiento y las costosas reparaciones que tengan que hacerse a los modelos, durante su uso y aún antes, en lo que toca a corrección dimensional. Los modelos sueltos son generalmente de construcción de madera. Las placas modelo se construyen en ocasiones de modelos de madera, montados en una placa metálica o en otras completamente de madera, aun cuando lo mas recomendable es hacerlas completamente de metal. Los modelos maestros si son hechos generalmente de madera.

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Metales Los metales más usuales en la fabricación de modelos son: Hierro colado, bronce, aluminio y magnesio; en ocasiones se utilizan también aleaciones plomo-bismuto. Considerándose el sistema de moldeo en verde, a máquina y dependiendo del tipo de aleación en el metal, se tienen las siguientes cantidades prácticas del número de moldes que pueden hacerse a partir de modelos de diferentes metales, sin que estos sufran deformaciones que excedan del 0.010 pulg. Hierro colado Bronce Aluminio Magnesio Compuestos

90,000 a 140,000 moldes 70,000 a 120,000 moldes 40,000 a 110,000 moldes 50,000 a 70,000 moldes más de 110,000 moldes

Considerando las cifras antes mencionadas, se recomienda la utilización del hierro colado por su resistencia a la abrasión, a la deformación y alojamiento. Por lo que respecta al aluminio, existe una variedad grande de aleaciones de este metal que puedan utilizarse para fabricar modelos que son el duraluminio, alto silicio, etc. Plásticos Los más usuales en la fabricación de modelos son las resinas epóxicas y la resina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Otros son los plásticos acrílicos, el polietileno, el estireno, el acetato. La resistencia a los agentes químicos, su moldeabilidad y propiedades a la abrasión hacen de la fibra de vidrio y de las resinas epóxicas un material muy adecuado para la fabricación de modelos. Algunos modelos hechos con esta resinas resisten hasta 40,000 moldeadas sin presentar alteraciones dimensiónales. Otros Se tienen materiales como la cera, el yeso, el concreto refractario, el barro y el más moderno la espuma plástica. El uso de cada uno de estos materiales es bastante específicos y depende del tipo, tamaño y de la cantidad de piezas por hacerse.

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2.3 TIPOS DE MODELOS Existen varios tipos de modelos los cuales se utilizan, dependiendo de los requerimientos en cuanto al tipo, tamaño y peso de la pieza a fabricar, el volumen de producción, la fundición y las facilidades de fabricación:     

Modelos sueltos. Modelos sueltos con sistema de colada incorporada. Modelos placa modelo. Modelos especiales Modelo con caja de corazones.

MODELOS SUELTOS. Pueden considerarse a este tipo de modelos con acoplamiento simple de las piezas a fabricarse en las cuales se han incorporado las tolerancias y las plantillas de los corazones. Cuando se utilizan este tipo de modelos la línea de partición del molde debe hacerse a mano. El sistema de coladas y alimentación también se hace a mano y finalmente la separación de modelo y molde se efectúa también manualmente teniendo necesidad de aflojar previamente el modelo para poder separarlo del molde, consecuentemente en ese momento se tiene una variación dimensional. Aún cuando la utilización de este tipo de modelo es cosa común en nuestro medio, en la mayoría de los casos podría eliminarse su utilización, ya que la producción de moldes que se obtiene es baja y costosa. Ver figura 7.

Fig. 7

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MODELOS SUELTOS CON SISTEMA DE COLADA INCORPORADO. Son una mejora de los modelos simples, ya que siendo el sistema de colada parte del modelo, elimina la necesidad del trabajo a mano para hacer dicho sistema. Con este tipo de modelos se obtiene una más rápida elaboración de moldes para pequeñas cantidades de piezas. Ver figura 8.

Fig. 8

CONSIDERACIONES SOBRE LOS TIPOS DE MODELOS 1 Y 2.  En piezas coladas de forma sencilla tales como bloques tales como bloques rectangulares, cilíndricos para bujes, etc., es posible tener modelos con una  Superficie plana en la parte superior y por lo tanto con una línea recta de partición en la junta entre las partes superior e inferior del molde.  Las peculiaridad de diseño de algunas piezas hacen imposible tener una superficie de partición plana y así los modelos que se utilizan para hacer los moldes requieren la utilización de tarimas o camas especiales de madera, aluminio o de arena.  Cuando se requiere hacer una cantidad considerable de piezas con modelos de línea de partición irregular, es ventajoso tener el modelo hecho en dos partes, partiendo en una superficie plana para facilitar el moldeo.

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La parte superior y la inferior se unen exactamente con pernos ya sea de madera o de metal. Un modelo del tipo mencionado, requiere más tiempo y más dinero para su fabricación, pero el costo adicional se justifica por el ahorro obtenido en el tiempo de elaboración de los modelos. MODELOS PLACA MODELO La producción de cantidades grandes de piezas pequeñas, requiere el uso de este tipo de modelos. En estos la parte superior y la parte inferior del modelo están montadas en los lados opuestos de una placa de metal o de madera que siguen la línea de partición. Las placas modelo también se hacen de una sola pieza, caso en el cual tanto la placa como los modelos se hacen colados en moldes de arena o de yeso, en este caso se llaman placas modelo integrales. El sistema de colada generalmente va incorporado en la misma placa. Placa modelo generalmente se utilizan en máquinas de moldeo para obtener máxima velocidad de fabricación aún cuando en ocasiones son susceptibles de ser utilizados en bancos de moldeo con pizonetas manuales. El costo de fabricación de estas placas modelo de justifica por el aumento en la producción y la obtención de mayor exactitud dimensionalmente en las piezas coladas. Una importante limitación en la utilización de este sistema es el peso del molde que puede ser manejado por el moldeador, que oscila entre 40 a 50 kg, ver figura 9 y 10:

Fig. 9

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Fig. 10

PLACAS SUPERIOR E INFERIOR Consisten en modelos de la parte superior e inferior de la pieza montados en diferentes piezas. Así las mitades inferior y superior de los moldes pueden ser elaboradas al mismo tiempo por diferentes trabajadores y/o en diferentes máquinas. El moldeo de piezas coladas medianas o grandes con la utilización de máquinas de moldeo se facilita bastante con este tipo de equipo de modelos. La fabricación de placas modelo separadas superior e inferior es la más costosa, pero usualmente se justifica por el aumento considerable de producción y la facilidad de fabricación de piezas grandes que no pueden manejarse con el equipo de placas modelo. Figura 11

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Figura 11. Placa modelo de aluminio para altas producciones.

La fabricación de moldes mediante el uso de placas separadas requiere un alineamiento exacto de las dos mitades por medio de guías, bujes y pernos de localización para asegurarse de obtenerse piezas no variadas. MODELOS ESPECIALES Cuando los tipos de modelos mencionados anteriormente, no son aplicables existe la necesidad de recurrir a modelos especiales. a). Para piezas muy grandes se utilizan los modelos esqueleto o linternas. Este tipo se usa para moldes grandes hechos manualmente en su mayoría. b). Otro tipo especial de modelos son las tarrajas las cuales se utilizan para fabricar moldes de piezas simétricas. c). Modelos maestros. Son modelos generalmente hechos de madera, los cuales son utilizados para hacer los modelos para alta producción. Se pueden colar varios modelos para producción hechos con el modelo maestro y montar esos modelos en las placas correspondientes después de haberlos acabado a sus dimensiones apropiadas. En la manufactura de un modelo maestro deben incorporarse ciertas tolerancias tales como la conocida doble contracción.

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CAJAS DE CORAZONES Aún cuando en ocasiones no se les clasifique como modelos, las cajas de corazón son una parte esencial del equipo de modelos para elaborar una pieza que requiera corazones. Las cajas de corazones se construyen de madera y de metal (hierro gris). El plástico no tiene mucha aplicación, la caja mas sencilla se muestra en la figura, hecha de una sola pieza y el corazón de elaboración sencilla. Figura. 11 y 12.

Fig. 11

Figura 12. Caja modelo sencillo de madera de dos piezas.

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Suelen hacerse cajas de corazones múltiples para alta producción y cajas complicadas con paredes móviles para corazones difíciles. Los corazones que no tienen ninguna superficie plana requieren equipo especial para su manufactura tal como los secadores que son placas usualmente metálicas que siguen la conformación del corazón y lo soportan para poder sacarlo de la caja de corazones y posteriormente someterlo al proceso de endurecimiento por cocción o curado, y así evitar su deformación.

2.4 FABRICACIÓN DE CORAZONES El corazón o macho es toda aquella porción del molde preparada por separado y que el objeto de crear un hueco al insertarse en el molde. El corazón es una sección costosa del molde, ya que hay que utilizar siempre una nueva arena para controlar mejor sus propiedades, tales como: resistencia al choque con el metal al ser vertido en el molde, resistencia a la abrasión, permeabilidad colapsibilidad o desmoronado, resistencia a las altas temperaturas (refractariedad) y elasticidad (para permitir la libre contracción de metal solidificante). Los corazones van colocados en el molde sobre unas plantillas de apoyo, a fin de evitar movimientos del corazón durante el vaciado del metal líquido al interior del molde. La fabricación de los corazones, que puede ser bajo varios procesos, es una operación importante y decisiva para la obtención de una pieza con las propiedades y características deseadas, por lo que debe controlarse muy de cerca su elaboración. Para elaborar un corazón existen varias formas, entre las comunes, están los siguientes: a). Utilizando cajas de corazones. Estas cajas pueden ser de madera, metálica o de plástico, son secciones acoplables por medio de espigas de unión, en cuya parte hueca se apisona la arena, pudiéndose utilizar armaduras de refuerzos o varillas para aumentar la rigidez y resistencia del corazón. Para su extracción de este se quitan las mordazas de sujeción de las secciones que componen la caja corazón y por medio de un mecanismo vibratorio a base de ligeras percusiones sobre la caja se origina una holgura a fin de separar las dos secciones y desmoldar el corazón fabricado, colocando éste sobre una placa de secado.

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Estas cajas pueden ser para elaborar un corazón o varios de acuerdo al número de impresiones con que ésta cuenta, ver la figura 13:

Figura 13 La figura muestra una caja modelo de madera

b). Utilizando máquinas de compresión neumática o máquinas sopladoras. Este es un sistema rapidísimo y sirve para grandes producciones de corazones en serie; se emplea arena sílica aglomerada, la caja de corazón es generalmente metálica y cuenta con canales especiales para dar salida al aire. El relleno y la compresión de la arena se realizan en pocos segundos mediante la inyección de la arena por medio de aire comprimido en la caja de corazones, que es apretada automáticamente por medio de las mordazas accionada neumáticamente o mecánicamente, por el cabezal soplante y se inyecta la arena. c). Corazones al aceite (oil core). Este proceso es el más común en las fundiciones pequeñas y medianas ya que además de ajustarse a todo tipo de metal por vaciar requiere poca inversión en equipo pero al mismo tiempo origina el uso de mucha mano de obra. Este proceso implica el uso de aceites (de linaza o de tipo vegetal) para la preparación de la mezcla de arena que conformará el corazón.

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Todo corazón fabricado bajo este proceso requerirá estufarse a una temperatura de 400 a 500ºC para que la mezcla de arena-aceite fragüe, de tal forma que adquiera las propiedades deseadas; tal operación puede llevarse a cabo en una estufa eléctrica o de gas. Este tipo de corazones no pueden ser almacenados más de una semana ya que requerirán ser secados nuevamente por el hecho de que absorben humedad del medio ambiente, por lo que se recomienda sean utilizados lo más rápido posible después de ser elaborados. d). Corazones a base de silicato de sodio y bióxido carbono (proceso CO2). Este proceso requiere del silicato de sodio o vidrio salubre. La arena que se utiliza puede ser de cualquier granulometría y la cantidad de silicato de sodio, en porcentaje con respecto al peso de la carga de arena, varía del 2 al 6%. El tiempo de mezclado del silicato de sodio y arena es aproximadamente de 5 minutos. El corazón se obtiene colocando la mezcla de arena y silicato de sodio en la caja corazón, se apisona y se hacen unos vientos o respiraderos con un alambre o una varilla, de acuerdo al tamaño del corazón para que sea inyectado el bióxido de carbono (CO2 ) y reaccione con el silicato de sodio, para que se endurezca o fragüe el corazón, mediante la siguiente reacción: Na2SiO + H2 O + CO ________ NaCO + SiO + H2 O Este tipo de corazón tiene el inconveniente que absorbe aún mayor cantidad de humedad del medio ambiente que los corazones de aceite, implicando hacer uso de ellos en forma inmediata ya que de otra forma originarán defectos en la pieza por el contenido de agua absorbida durante su almacenamiento. e). Corazones en cáscara (Shell-Molding). Este proceso deriva su nombre del empleo de moldes ó corazones delgados en forma de cáscara ó concha. Comparando este proceso con los demás procedimientos, presenta las siguientes ventajas: - Máxima libertad en la configuración de piezas. - Gran exactitud con respecto a los demás métodos de fundición. - Posibilidad de aplicación en casi todas las aleaciones técnicamente en material del molde y las condiciones en fundición. - Se suprime la rebaba a lo largo de las juntas de separación entre moldes.

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Figura 14. Diseño de un modelo de fundición

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Contrapeso Cubeta Caja de molde Bebedero Corazón Tobera Mazarota

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De acuerdo a este principio y analizando 4 cuerpos geométricos diferentes a un mismo volumen, los tiempos de solidificación son los mostrados en la tabla. TIEMPOS DE ENFRIAMIENTO DE DIFERENTES CUERPOS GEOMÉTRICOS CUERPO

ESFERA

CILINDRO

CUBO

PRISMA RECT.

VOLUMEN (V) ÁREA (A) V/A (V/A)

1000000 48300 20.6 424.3

1000000 55700 17.9 320.4

1000000 60000 16.7 278.9

1000000 70000 14.28 203.9

K

0.021

0.021

0.021

0.021

TS

8.9

6.72

5.85

4.28

Tabla No. 1 Tiempos de enfriamiento de diferentes cuerpo

2.5 CONSIDERACIONES DEL PROYECTO. Un buen modelo de fundición debe cumplir con los siguientes requisitos: ÁNGULOS DE EXTRACCIÓN. Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 o más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una inclinación que permita su extracción, sin que el modelo arrastre arena consigo. Para determinar el ángulo de extracción βde los modelos, se recomiendan los valores que se dan en la tabla. Ver figuras No. 15 y No. 16.

Figura No. 14

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Figura No. 15

ALTURA DEL MODELO

ÁNGULOS DE SALIDA Y PENDIENTES

De 1 a 10 mm De 11 a 20 mm De 21 a 35 mm De 36 a 65 mm De 66 a 150 mm De 151 a 250 mm De 251 a 400 mm De 401 a 600 mm De 601 a 800 mm De 801 a 1000 mm

3° 2° 1° 0° 45’ 0° 30’ 1.5 mm 2.5 mm 3.5 mm 4.5 mm 5.5 mm

Tabla No. 2 Ángulos de salida y pendientes

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CONTRACCIÓN METÁLICA. Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuyen su volumen, este fenómeno origina una reducción en las medidas de la pieza, por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener en sus dimensiones el por ciento de contracción del metal o aleación. Ver figura No. 16 En la tabla se dan algunos valores de contracción metálica, para aplicarlos a las dimensiones del modelo, en función del metal en que será vaciada la pieza. Ver tabla No. 3

Figura No. 16

Valores de contracción metálica Metal

% de contracción

Fundición gris Fundición blanca Acero moldeado Bronce de estaño Bronce rojo Latón Aleaciones de zinc Aluminio Aleaciones de aluminio

0.5 a 1.2 1.2 a 2.0 1.5 a 2.0 0.8 a 2.0 0.8 a 1.6 0.8 a 1.8 1.0 a 1.5 0.5 a 1.0 1.0 a 2.3

Tabla No. 3 valores de ángulos de contracción.

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SOBRE ESPESORES DE MAQUINADO. Al proyectar las dimensiones para un modelo también se debe tomar en cuenta aquellas superficies que se maquinan, a fin de dar un sobre espesor de material para el maquinado. Existen diferentes criterios y normas al respecto, aquí un ejemplo de ello. Norma Francesa NFA 32011 para hierro gris. Sobre espesor clase L. Para dimensiones que nos son fundamentales por la función misma de la pieza. (Cotas no afectadas de tolerancia en el dibujo de definición). Tabla No. 4

Tabla 4 sobre espesor de maquinado clase L La mayor dimensión de la pieza de: Cotas nominales de referencia

De:

a inclusive

16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500

16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000

1 a 250

250 a 630

630 a 1600

1600 en adelante

Sobre espesor de maquinado 4 4 4.5 4.5 5 5.5 6

4.5 4.5 4.5 5 5 5.5 6 7 7.5

5 5 5.5 5.5 5 6.5 7 7.5 8.5 9.5 11.5

7 7 7 7.5 8 8 8.5 9.5 10.5 11.5 13.5 15.5 19

Tabla No. 4 Tabla de sobre espesor de maquinado

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Sobre espesor clase A. Para dimensiones o cotas afectadas de tolerancia de precisión sobre los dibujos de definición. Para piezas que serán obtenidas utilizando modelos de madera fijos a una placa o modelos sueltos. Ver tabla No. 5

Tabla 5 sobre espesor de maquinado clase A La mayor dimensión de la pieza de: Cotas nominales de referencia

Ce:

a inclusive

16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500

16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000

0 a 100

100 a 160

160 a 250

250 a 630

630 a 1600

1600 a En adelante

Sobre espesor de maquinado 2.5 3 3 3 3.5

2.5 3 3 3 3.5 3.5

2.5 3 3 3 3.5 3.5 4

4 4 4 4.5 4.5 5 5 5.5 6

4.5 4.5 4.5 5 5 5 5.5 6 6.5 7.5 9

5.5 5.5 6 6 5 6.6 7 7 8 8.5 10 11.5 13.5

Tabla No. 5 Tabla de sobre espesor de maquinado clase A

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Sobre espesor B Para dimensiones o cotas afectadas de tolerancia de precisión sobre los dibujos de definición. Para piezas que serán obtenidas utilizando modelos metálicos o modelos placa. Ver tabla No. 6

Tabla 6 Sobre espesor de maquinado clase B Cotas nominales de referencia De: 16 25 40 63 100 160 250 400 630

a inclusive 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000

1 a 250 2.5 2.5 2.5 3 3

La mayor dimensión de la pieza de: 250 630 1600 a a en 630 1600 adelante Sobre espesor de maquinado 2.5 2.5 3.5 2.5 2.5 3.5 2.5 2.5 4 3 3 4 3 3 4 3 3 4.5 3.5 4.5 5 5.5

630

4 4 4.5 4.5 4.5 5 5 5.5 6 6.5

Tabla No. 6 tabla de sobre espesor de maquinado clase B

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FORMAS QUE FACILITEN EL MOLDEO. Al diseñar las formas de los modelos se deben prever que el modelo se facilite. Esto en ocasiones implica que la forma del modelo no sea semejante a la pieza que se desea obtener. Ver figura No. 17

Figura No. 17

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DIMENSIONES DE LAS PLANTILLA. Las plantillas son necesarias cuando la pieza es hueca y sirven para formar la cavidad en el molde que servirá de apoyo al corazón. Como una orientación, en piezas cuya sección del corazón es cilíndrica y se apoya en los extremos, las dimensiones de las plantillas son: figuras 18. 19, 20.

Figura No. 18

Figura No. 19

Existen otros casos en que el corazón se apoya solamente en un extremo, y el dimensionamiento de la plantilla depende de un cálculo matemático para obtener en este caso el centro de gravedad de la base de apoyo del corazón.

Figura No. 20

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COLORES UTILIZADOS. Por sus formas algunos modelos resultan complicados de identificar claramente, por lo cual se pintan sus partes de colores, cada color corresponde a una parte o superficie especifica según la norma que se este utilizando. Ver tabla No. 7. Superficie o parte de la superficie

Acero moldeado

Fundición gris

Fundición maleable

Fundición de metales pesados

Fundición de metales ligeros

Color de fondo para superficie en el modelo y en la caja de machos que azul rojo gris amarillo Verde quedan sin maquinar en la pieza fundida Las superficies a maquinar Listas Listas Listas Listas Listas en la pieza fundida amarillas amarillas amarillas amarillas amarillas Asientos de partes sueltas del modelo (pieza a encajar) en el modelo o en la caja de Ribeteado en negro machos, así como para tormillos de piezas sueltas Sitios para enfriadores y marcas para colocación de rojo azul rojo azul Azul clavos Asientos de machos o negro plantillas Si en caso especial no se aplican medias cañas, se marcan con Medias cañas rayado en negro, indicando el radio. Mazarotas perdidas o bebederos, sobre espesores Listas negras y rotulado correspondiente de maquinado por motivos técnicos de fundición Nervios o salientes del En el color del fondo del modelo o sin pintar, pero con listas modelo negras Negro o con marcas negras Calibres y tolerancias Zonas para rasqueteado

azul

rojo

Barniz incoloro gris Amarillo

verde

Tabla No. 7. Corresponde a la norma alemana DIN 1511

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CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE UN MODELO. Para simplificar el calculo de las dimensiones del modelo en las cotas de definición, se debe hacer caso omiso de las tolerancias, y los valores calculados, pueden redondearse al medio milimétrico, es decir, si la dimensión necesaria para el modelo es de 27.7 mm, el valor final del modelo puede ser 28.00 mm.

Figura No. 21

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SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN. Son muchos los factores que se deben controlar para obtener una buena pieza de fundición, uno de estos factores es debido al recorrido que efectúa el metal en el molde y su solidificación. Para diseñar un sistema de alimentación correcto, se requiere conocer los principios de flujo de fluidos y características de solidificación del metal vaciado. El metal líquido se introduce a la cavidad del molde a través de un “sistema de alimentación” compuesto de cuatro partes principales: el basín, un bebedero, un canal y los ataques. El metal se vacía primeramente en el basín y pasa el bebedero vertical, después luye a través del canal (previamente tallado en la arena del molde) y por ultimo pasa por los ataques, para llegar a la cavidad del molde. Fig. 22.

Figura No. 22

Los metales en estado líquido absorben gases. El líquido erosiona el material del molde durante el flujo del metal, y además sufre el proceso de solidificación y su contracción en volumen, razones por la cuales los sistemas de alimentación deben diseñarse con el siguiente criterio: a) El metal debe fluir a través del sistema de alimentación con el mínimo de turbulencia para evitar la oxidación del metal, el atropamiento de aire, la aspiración de gases en el molde, el eliminar las inclusiones de sustancias o erogaciones en el molde, inclusive evitar también la formación de escoria.

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b) El metal debe entrar a la cavidad del molde de una manera tal que los gradientes de temperatura sea tanto en el fondo como en la superficie del molde de tal forma que la solidificación sea progresiva y en dirección de la mazarota o cargador. La primera condición al diseñar un sistema de alimentación es la de reducir los efectos en las piezas causadas por inclusiones de escoria, erosiones y gases atrapados. La segunda condición es la de evitar los defectos causados por la contracción y una alimentación inadecuada. La tercera condición es producir piezas a un costo competitivo con otros procesos de manufactura. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN. Basín: Los sistemas de alimentación inician con un basín o recipiente, destinado a recibir el metal líquido de la cuchara de vaciado y deben a su vez mantener el resto del sistema lleno de metal líquido, también deberá ayudar a retener la escoria e inclusiones antes de que fluya a través del sistema. La figura 2 muestra el corte de un diseño de basín que permite tal función. (Figura 23.)

Figura No. 23

Bebedero: El diseño correcto de un bebedero es extremadamente importante para el futuro de una buena pieza de fundición. Debe ser cónico en vez de recto, con la menor área en el fondo a fin de minimizar el efecto de vértice y evitar el atropamiento de burbujas de aire durante vaciado del metal. El área transversal de bebedero puede ser circular, fig. 3 (a), aunque también en resultados recientes de investigación recomienda el área transversal rectangular. Fig. 24.

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Pozo (Base del fondo del bebedero): No debe tener aristas ni esquinas, se recomienda la forma circular y el fondo plano para reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. La fig. 24 muestra un pozo con estas características.

Figura No. 24

Canal: Son de sección rectangular y se deben diseñar de forma tal que permita distribuir el metal en forma uniforme a la pieza. Fig. 25 y 26

Figura No. 25

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Ataques: Se conocen también como entradas y son la ultima parte del sistema de alimentación y a su vez es la parte del sistema que tiene contacto con la cavidad del molde. Por regla general los ataques son de sección rectangular y pueden esta arriba del plano de participación o por debajo. Los ataques o entradas deben estar distribuidos en forma conveniente a la pieza. En la fig. 26 se ilustra la posición de los ataques respecto al plano de participación.

Figura No. 26

La cantidad del metal que fluye por los ataques o entradas hacia la cavidad de la pieza varía en función de la distancia entre ellos, fig. 8 (a), de su orientación fig. 27 (b), así como de el área transversal del canal y de los ataques. Figuras. 27 (c y d).

Figura No. 27

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2.6 DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS Los defectos en piezas fundidas son indeseables y en muchas ocasiones difíciles de detectar, inclusive existen defectos internos que sólo a través de métodos de inspección especiales se pueden identificar. El origen del defecto puede ser debido a una causa o a varias de ellas y es motivo de un análisis cuidadoso llegar a determinarla. Sin duda que la experiencia del fundidor es necesaria para determinar el origen del defecto y así poner en práctica acciones correctivas a fin de reducir o anular los defectos en la producción de piezas fundidas. CAUSAS QUE ORIGINEN DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS. Las causas que originan los defectos pueden clasificarse principalmente en cuatro, a saber:    

Causas debidas al equipo utilizado durante el proceso. Causas debidas al cambio de estado líquido del metal al estado sólido. Causas debidas al diseño o concepción de la pieza. Causas debidas a las operaciones realizadas durante el proceso.

Defectos con origen en el equipo utilizado. Son el resultado de errores en la fabricación de los modelos y cajas de corazón que se usan para la ejecución de los modelos de arena y se deben principalmente a errores en el cálculo de las tolerancias de contracción del metal, causando errores de dimensión cuando la pieza solidifica. La inspección de las dimensiones de un modelo o caja de corazón nueva son en ocasiones difíciles de realizar, pero necesarias a fin de evitar este tipo de defectos. También es común que se realicen moldes de arena con cajas de moldeo con pernos de localización o agujeros para pernos desgastados, lo cual permite un “deslizamiento” en las caras en contacto común de la tapa superior e inferior de en desfasamiento entre la mitad superior y la mitad inferior de la pieza, produciéndose el defecto. Defectos con origen en el cambio de estado líquido al sólido del metal. Las aleaciones metálicas durante el periodo de solidificación sufren una o varias contracciones metálicas (disminuciones de volumen), as cuales deben preverse por el fundidor y por el modelista ya que pueden ser el origen de diversos defectos en la pieza fundida.

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El fundidor deberá estudiar el enfriamiento que irá sufriendo la pieza hasta alcanzar la temperatura ambiente para prever un buen diseño del sistema de alimentación, realizar un cálculo adecuado para su mazarotas empleadas, decidir si es necesario el empleo de enfriadores, así como el empleo de materiales exotérmicos. También decidirá entre otras cosas algunas recomendaciones prácticas en cuanto al moldeo de la pieza. El modelista por su parte como se menciona en 3.1 deberá fabricar su modelo tomando en cuenta principalmente la contracción sólida propia de los metales, aplicando el cálculo correcto a cada dimensión de la tolerancia de contracción, a fin de evitar los defectos de dimensión. Al modelo también deberá aplicarse los sobré espesores| recomendado y ángulos de salida adecuados.

de

maquinado

Defectos con origen en las operaciones realizadas durante del proceso. Son diversas las operaciones que se realizan durante el proceso de fundición y un control deficiente en ellas dará por resultado mala calidad en las piezas de fundición. Las operaciones a continuación mencionadas son sólo algunas de las que se realizan en el proceso de fundición. FUSIÓN

Temperatura de fusión, orden de adición de los elementos aleados, empleo de fundentes, desgasificantes, afinadores de grano.

VACIADO

Temperatura de vaciado, velocidad de vaciado, eliminación de nata y escoria.

MOLDEO

Apisonado, empleo de pinturas, empleo de arena de careo, salidas de gases, manejo y transportación del molde, asentamiento de corazones.

DESMOLDEO

Velocidad de desmolde, método de desmolde.

LIMPIEZA DE PIEZA

Sistema de limpieza, manejo de la pieza, rebabeo de la pieza.

PREPARACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ARENA

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Orden de adición, tiempo de mezclado, manejo y conservación.

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Defectos con origen en el mal diseño o concepción de la pieza. Para diseñar o proyectar una pieza de fundición, es necesario que estas tengan formas y espesores adecuados.

DEFECTOS COMUNES Porosidad.- Es causada por los gases que durante el vaciado del metal en el molde, no tienen una salida fácil al exterior. Si la porosidad está distribuida de manera uniforme en la pieza, es señal de que el gas estaba ya disuelto con el metal antes del vaciado. Ver figura 44

Figura No. 44

Rechupe.- Es un hueco dejado en la pieza como resultado de la contracción líquida y de solidificación propia de los metales. Ver figura 45

Figura No. 45

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Sopladura.- Agujero en la pieza fundida causada por el gas atrapado durante la solidificación. Estos huecos alcanzan hasta la superficie. La sopladura puede ser causada también por arena demasiado húmeda. Ver figura No. 46

Figura No. 46

Grietas.- las grietas en caliente o roturas en caliente se producen cuando hay una rigidez en el molde que origina un esfuerzo de tracción en la pieza (fig.4). Otro caso es cuando un corazón es demasiado duro para desintegrarse y la pieza no tiene una libre contracción. Ver figura No. 47

Figura No. 47

Llenado incompleto.- Es el resultado de la solidificación del metal antes de que el molde sea llenado. Esto ocurre también por tener un sistema de alimentación deficiente. Ver figura No. 48

Figura No. 48

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Explosiones de arena.- Son granos de arena incrustados en la pieza debido a un apisonado flojo o un excesivo impacto del metal contra la superficie del molde. Ver figura No. 49

Figura No. 49

Corazones desplazados.- El desplazamiento de un corazón es causado por descuido del operario por accidente. También puede contribuir la incidencia del metal contra un costado del corazón. Ver figura No. 50

Figura No. 50

Escoria en la pieza.- La formación de escoria se debe a la oxidación del metal producida por la fisión del metal en el horno, o al vaciar el metal en el molde de tal manera que está queda incluida en la pieza creándose el defecto.

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CAPITULO III DISEÑO Y FABRICACIÓN

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3.1 METODOLOGÍA En este proyecto utilizaremos las aleaciones de hierro gris de alta calidad, ya que este cubre el rango de dureza, resistencia y composición química requeridos por las normas SAE o equivalentes, de alta maquinabilidad y estabilidad dimensional. Esto se determino después del análisis del marco teórico ya mencionado anteriormente. En este caso la pieza a diseñar es un tornillo de banco, el cual es una herramienta que sirve para sujetar firmemente piezas o componentes a los cuales se les quiere aplicar alguna operación mecánica. Es un conjunto metálico muy sólido y resistente que tiene dos mordazas, una de ellas es fija y la otra se abre y se cierra cuando se gira con una palanca un tornillo de rosca cuadrada. Es una herramienta que se puede atornillar a una mesa de trabajo y es muy común en los talleres de mecánica. Cuando las piezas a sujetar son delicadas o frágiles se deben proteger las mordazas con fundas de material más blando llamadas galteras y que pueden ser de plomo, corcho, cuero, nailon, etc. Para realizar diseño del modelo se tuvieron las siguientes consideraciones: 

Se realizaron los cálculos para las dimensiones con una contracción del material del 0.7% como indica la tabla No.3 para el hierro fundido.



Se aplico un espesor de maquinado de clase L, ya que las partes que van a ser maquinadas no afectan el tamaño de la pieza. Ver tabla No. 4.



Se aplicaron ángulos de extracción βconforme a la tabla No. 2.

El software utilizado para el diseño de la misma fue Mechanical Desktop.

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3.2 DISEÑO DE LA PIEZA A continuación se muestran los dibujos de la pieza a diseñar. Figuras de la pieza de No. 27 a No. 31

Figura No. 27

Figura No. 28

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Figura No. 29

Figura No. 30

Figura No. 31

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3.3 DISEÑO DEL MODELO El modelo es elaborado de madera, y esta dividido en 2 partes. Figuras de No. 32 a No. 35

Figura No. 32

Figura No. 33

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Figura No. 34

Figura No. 35

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Figura No. 36 Modelo de la pieza (cuerpo de la pieza)

Figura No. 37 Modelo de la pieza (cabezal)

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3.4 DIBUJOS DEL MOLDEO Los siguientes dibujos muestran la forma de moldeo de la pieza. Figuras de No. 38 a No. 43

Figura No. 38

Figura No. 39

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Figura No. 40

Figura No. 41

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Figura No. 42

Figura No. 43

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3.5 CÁLCULOS DEL SINFÍN. Para el previo cálculo de un tornillo de potencia se tiene que recurrir primero; a una investigación previa sobre el diseño de la pieza en la cual se tendrá que hacer las especificaciones más relevantes del diseño y el cálculo. Para el cálculo de un tornillo de potencia el cual lleva una rosca Cuadrada ó Acmé se tiene que utilizar el torque o momento que genera la cuerda a través del desplazamiento que se tiene en toda la longitud del tornillo, para esto se utiliza una cierta clase de formulas previamente establecidas. Para poder establecer la formula correcta se deberá utilizar el diseño para establecer los limites y longitudes que se tienen para el cálculo necesario; en esta hoja de cálculo se estableció que se deben tomar los valores más grandes para el cálculo correspondiente ya que se necesita someter una cuerda a su máxima fricción y desgaste que se genera durante su vida útil de la cuerda. Para el diseño se estableció que se debe considerar un material de acero 4140 para el tornillo de potencia ya que este material es resistente a la fricción y desgaste; de esta forma se puede fabricar la turca de un acero 1045 para este, ya que es más fácil que se desgaste pronto esta tuerca que el propio tornillo; en el cual el tornillo es donde se genera más cantidad de fricción y fuerza a realizar en la cuerda que la propia tuerca. En el término de los cálculos correspondientes se tiene que saber que tipo de tratamiento térmico debe llevar la cuerda, para esto escogimos un tratamiento térmico llamado nitruración ya que este consiste en fortalecer el material y darle mayor vida contra el desgaste y la fricción que genera este tornillo. Para el estudio de la fuerza que genera un hombre en el apriete de una herramienta se necesita una investigación necesaria. Para esto se hace una investigación sobre el estudio de la ergonomía que es la actividad concreta del hombre aplicado al trabajo utilizando medios técnicos, el cual tiene como objetivo la investigación en un sistema hombre – máquina – entorno, el cual relaciona todo lo explicado anteriormente. Para un estudio de esta fuerza se hizo un estudio con 10 personas que oscilan entre una edad de 22 a 23 años con un peso de 70 kg. a 80 kg. y una estatura de 1.70 m a 1.80 m; en la cual se les pidió que jalaran un dinamómetro con todas sus fuerzas para establecer una fuerza promedio que resultara ser una incógnita necesaria para el cálculo de un tornillo de potencia, al término de la medición se estableció que un hombre de las anteriores características puede ejercer una fuerza promedio de 300N.

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Ya teniendo los componentes se prosigue al cálculo necesario de un tornillo de potencia el cual se tiene los siguientes resultados generados:

CALCULO DE UNA ROSCA CUADRADA PARA UN TORNILLO DE 3/4” DE DIÁMETRO. Torque a través de la cuerda FD L f DP  TU  P  2 DP f L   300 N  0.64240.1667  0.15   0.6424  TU   2  0.6424 0.15 0.1667   TU  96.36 N  0.235518098 TU 22.69452394 N

Torque para moverla hacia fuera de la cuerda FD TD  P 2

f DP L    DP f L 

  300 N   0.6424  0.15  0.6424  0.1667   2  0.6424  0.15 0.1667    96.36 N   0.066575106 

TD 

TD TD 6.415177214 N

Eficiencia Del Tornillo FL e 2TU

300 N  0.1667 e 2 22.69452394 N  e 0.350716266 % ó 35.07 %

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CALCULO DEL ANGULO DE DESPLAZAMIENTO tan 1

L DP

tan 1

0.1667 1 tan  0.082600028  0.6424

4.721913624º

Torque a través de la cuerda con ángulo de desplazamiento FD tan  f  TU  P   2  1 f tan  300 N  0.6424tan 4.72 0.15  TU   2 1  0.15 tan 4.72    TU  96.36 N  0.235518098 TU 22.69452396 N

Torque para moverla hacia fuera de la cuerda con ángulo de desplazamiento FD TD  P 2

f tan    1 f tan  

300 N  0.64240.15 tan 4.72    2 1  0.15  tan 4.72   TD  96.36 N  0.06657517  TD 

TD 6.415177325 N

Eficiencia Del Tornillo FL e 2TU

300 N  0.1667 e 2 22.69452396 N  e 0.350716266 % ó 35.07 %

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CALCULO DE UNA ROSCA ACME PARA UN TORNILLO DE 3/4” DE DIÁMETRO. Torque a través de la cuerda FD  Costan f   TU  P   2  Cos f tan     300 N   0.6424   Cos14.5º  tan 4.72º0.15  2 cos14.5º   0.15 tan 4.72º      96.36 N   0.240614369 

TU  TU

TU 23.18560067 N

Torque para moverla hacia fuera de la cuerda FD f Costan   TD  P  2  Cos f tan   300 N  0.6424 0.15  Cos14.5º  tan 4.72 º TU   2 cos14.5º 0.15  tan 4.72º     TU  96.36 N  0.073272738 TD 7.060561048 N

Eficiencia Del Tornillo FL e 2TU

300 N  0.1667  e 2 23.18560067 N  e 0.343288009 % ó 34.32 %

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3.6 FABRICACIÓN DEL MODELO

FABRICACIÓN DE MOLDEO DESCRIPCIÓN

UNITARIO

20 PZS

40 PZS

60 PZS

$450.00

$9,000.00

$18,000.00

$27,000.00

$80.00

$1,600.00

$3,200.00

$4,800.00

$380.00

$7,600.00

$15,200.00

$22,800.00

$30.00

$600.00

$1,200.00

$1,800.00

$180.00

$3,600.00

$7,200.00

$10,800.00

MOLDE MATERIAL MADERA (ENCINO) CORAZÓN MATERIAL MADERA (ENCINO) MOLDE MATERIAL ALUMINIO CORAZÓN MATERIAL ALUMINIO TORNILLO Y TUERCA MATERIAL ACERO 4140 Ø ¾ “ X 118” FUNDICIÓN HIERRO COLADO DE MATERIAL FUNDIDO

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(60 Kg.)

$30,000.00

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CONCLUSIONES Con este proyecto definimos que la fabricación de un modelo de fundición, en el cual se establece el costo de una pieza se puede basar en la forma del tipo de fundición y el material con que se vaya a realizar; sea por acero o inyección. Por lo cual en una forma más adecuada en la fabricación de cualquier tipo modelo se deben de establecer los recursos necesarios para la elaboración de dicha pieza. En el transcurso de la realización de esta Tesina podemos hablar que en la fabricación de un modelo para fundición es el paso más importante ya que de este se empieza a generar toda la fabricación y averiguación sobre tiempos y costos que deben necesitar para la elaboración de cualquier tipo de pieza; ya que el modelo se puede definir como la parte negativa de una pieza ya establecida o realizada en la industria. En la innovación de este diseño podemos hablar del recubrimiento que tendrá el modelo que será de zinc-estaño; por sus propiedades en las que se puede observar la resistencia a la corrosión y al desgaste que se tenga. En una caja de madera la mejor opción es el recubrimiento de una grasa lubricante en la cual su utilización sirve para que no se penetre el material caliente en la caja. En el estudio del tipo de material se puede generar una idea de la obtención y la aplicación que se tiene en la industria porque al completar este material hemos llegado a la conclusión de que tan importante es tener conocimiento, el cual es importante para la humanidad saber el proceso químico, fisiológico y biológico de las cosas que nos rodean. Este proceso de fundición de metales es considerado como uno de entre tantos procesos que sirven de evolución a la humanidad y cambian el curso de nuestras vidas.

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4.5 BIBLIOGRAFÍA  Diseño De Elementos De Maquinas 2da. Edición Autor: Robert L. Mott P.E  Manual Del Ingeniero De Taller Autor: Roger Timings.  Ergonomía Y Productividad. Autor: Ramírez Carvassa  Tecnología De Los Materiales Autor: Ing. Heliodoro Espinosa H.  Elementos De Máquinas Autor: Bernard J. Hamrock, Bo Jacobson, Steven R. Schmid.  Análisis crítico de los problemas que se presentan en el vaciado de fundiciones por razón de las contracciones líquidas y sólidas propias de las aleaciones metálicas. Tesis Profesional, ESIME, México 1973 Autor: Jiménez C. Francisco

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